三平斋 / 量子 / 量子理论是什么和量子理论的哲学困境

分享

   

量子理论是什么和量子理论的哲学困境

2017-06-28  三平斋

量子理论是什么和量子理论的哲学困境

楠得创业 2017-06-04 00:05

量子理论,是导出量子力学的基础理论,也是导出量子电动力学的基础理论之一.尼?玻尔指出:谁不为量子理论所震惊,谁就不理解量子理论.自从量子理论创立以来,就一直受到来自各个方面的质疑——这些质疑对于量子力学的正确性和应用无关,而是牵扯到关于量子力学理论的物理解释——爱因斯坦是量子理论的早期创立者之一,也正是他最坚定地质疑和否认量子理论的完备性.爱因斯坦和玻尔之争,已经成为科学史上的重大事件.尽管人们现在倾向于认为爱因斯坦的努力是徒劳的,但是在爱因斯坦和玻尔身后,对于量子理论的质疑从未停止过.甚至在物理学家中,也存在许多种不同的理论模型阐述量子理论的本质.从来没有一种解释模型在物理学家中取得压倒优势,更不用说取得共识了.这是很不寻常的事,科学理论与哲学理论、社会理论、经济理论不同,科学理论因其能够取得高度共识而闻名,在科学史上,从来没有一种完备的理论得到广泛的实验结果支持而从未发现一个反例,并且在实际应用中取得巨大成就之后,仍然受到长期而广泛的质疑——但是,量子理论除外.

关于量子理论的争议和质疑并不局限于物理学内部,更多的与人们的哲学观念有关,特别是与人们关于"实在"的认识有关.

一、量子理论是什么?

量子理论是为了解释和预言微观领域(基本粒子、原子、分子领域)的特殊现象提出的一系列独立假设.从这些假设可以导出量子力学.并不是所有这些假设都受到质疑——比如"普朗克-爱因斯坦量子假设"、"海森堡不确定性假设"、"量子态演化假设"(薛定谔方程)——现在人们很少或者不再质疑这些假设,仍然受到质疑的主要是"波粒二象性假设"、"量子态叠加假设"和"量子态坍缩假设".下面说明一下这些假设的含义(大致了解量子理论的人可以跳过):

1、"波粒二象性假设"宣称:微观领域的对象,比如光子、电子这些事物,它们既是粒子又是波;或者说它们既不是粒子又不是波,但是可以表现出像波一样的现象——它具有"似波性",也可以表现出像粒子一样的性质——也具有"似粒子性".在双缝干涉实验中,转播途径中来自两条缝的光相互干涉,表现出十分确定的"波动性";但是到达显示屏的时候,总是作为一个个完整的光子被观测到,表现出十分确定的"粒子性".量子理论的标准解释——哥本哈根解释认为这并不矛盾,而是互补的关系.粒子在传播途径中表现出波动性——它像某种波一样传播,表现出波所具有的特殊性质:衍射、干涉、散射等;粒子在发射或者到达的时候,总是表现为一个个完整的粒子,表现出不可分割的粒子的性质.这两种性质结合在一起,构成了粒子完整的性质——波粒二象性.哥本哈根解释宣称:我们绝不会遇到两种相互矛盾的性质同时表现出来的单一实验.事实确实如此,至少迄今为止,我们并没有发现这样的实验.

2、"量子态叠加假设"宣称:在没有被观测的时候,粒子并不像宏观物体一样表现为某种固定的状态,而是表现为极为不同的量子状态——量子态.这种量子态由"波函数"来描述,有关波函数的薛定谔方程,则描述没有被观测的时候,波函数随时间的变化规律.与宏观物体更为不同的是:粒子不一定处于一种单一的、确定的量子态,也可以处于两个甚至两个以上量子态的叠加状态.

爱因斯坦对这一假设十分不满,他深恶痛绝这一假设包含的"超距作用的幽灵".

在双缝干涉实验中(为了简单而又保持理论的本质,本文尽量采用双缝干涉实验和偏振光实验举例.尽管光子的性质比较复杂,实际上并不属于量子力学,而是属于量子场论(量子电动力学)的范围,但是这些关于光子的实验在解释量子力学原理的时候更加简洁直观,而且不影响理论的本质.一些大师级人物也是这样处理的.)光子通过(缝1)是一种量子态ψ1,光子通过(缝2)是一种量子状态ψ2,按照我们在宏观世界观察到的经验,一个物体要么经过(缝1),要么经过(缝2),一个穿过了双缝的物体,要么处于ψ1态,要么处于ψ2态,不存在其他可能.在这里,量子理论与我们日常经验有根本的冲突,"量子态叠加假设"坚称:在没有被观测的时候,一个穿过了双缝的光子,不可能处于ψ1或者ψ2的任何一种状态,而是处于这两种状态的叠加状态,也就是(ψ1+ψ2)这种奇怪的量子态.

无法对(ψ1+ψ2)这种量子态给予实在的解说,不能用现实中的经验事实形象地说明(ψ1+ψ2)这种量子态究竟是什么样的状态.这似乎暗示着同一个光子以某种未知的方式同时穿过两条缝,但是哥本哈根解释拒绝这种看法,玻尔和其他哥本哈根解释的捍卫者们坚持一种更加激进的哲学,他们认为在没有观测的时候宣称粒子穿越某一条缝或者是穿越了两条缝,这是没有意义的.人能够观测的只有现象,现象,是人们能够观测的最终的实在,不能假设在现象的背后还有一种不可观测的神秘的实在——比如物自体等等.现象只有在被观测之后才成为现象,在没有观测的时候,就没有现象存在.没有被观测的时候,问粒子穿越某一条缝或者是穿越了两条缝,这是没有意义的,因为那里并没有任何现象发生.

量子态叠加假设十分重要,是量子理论不可或缺的环节,它能够和其他假设结合,解释和预测一切有关的物理现象,精确到使人惊异的程度,更加令人印象深刻的是:从来没有一个与其预测不符的事例被观测到.

三、"量子态坍缩假设"自始至终受到最为广泛的质疑,很多物理学家被迫接受量子理论的多世界解释、系综解释等,就是因为不能容忍这个难看的疮疤."量子态坍缩假设"宣称:在没有被观测的时候,粒子的量子态按照薛定谔方程演化,每一个描述粒子状态的力学量(比如动量、位置等等)都不是唯一的,都存在几种甚至许多种可能的值.每一种可能的值出现的概率不同,但是出现的概率是确定的——这有薛定谔方程决定.一旦进行观测,随时间演化的量子态立即坍缩.只有一种可能性立即成为现实,出现其他值的可能性立即变为0,其他值出现的概率立即变成0.随时间演化的波函数立即终止,一个新的波函数从这里开始,仍然按照薛定谔方程描述的形式开始随时间演化.

比如在一个封闭的真空的箱子中发射一个电子,电子一旦离开发射器,只要没有被观测,它的波函数就开始按照薛定谔方程随时间演化,它有可能在箱子里任何地方.在任何时间、任何一个位置都有一个出现的概率.并不是电子确实在某一个位置我们不知道,而是电子确实不在任何一个确定的位置.一旦进行观测,一旦在一个区域A观测到电子,电子的波函数立即坍缩,它在位置A出现的概率从原来的万分之一或者亿万分之一突然变成了1,在其他任何位置出现的概率立即变为0.并不是电子确实在那里而被观测到,而是因为观测造成电子波函数的坍陷.认为这两者没有区别是错误的,这有十分明显的区别."量子态坍缩假设"对量子理论十分重要,没有这个假设,现有的量子理论就无法成立.

量子理论与牛顿力学、相对论等经典的理论不同,经典理论能够从几个简单的明显成立的假设出发解释大量的现象、预测大量的结果,那是人类理性的惊人成就.量子理论在解释现象和预测结果的精度和广度上超越现有的一切理论,但是,量子理论却是建立在一系列看似荒谬的假设之上.没有人自愿接受这些假设,我们之所以接受,是因为不得不如此.没有发现任何更加简单优美的假设能够取代这些假设.量子理论既不简单,也不优美,像一个缀满各种补丁的破旧棉袍,但是它比其他任何衣服更实用.

爱因斯坦认为量子理论是不完备的,在这些稀奇古怪的假设背后,肯定隐藏着某种更基本的东西.

以下将要证明,这些假设会引发一系列的悖论.量子理论已经陷于不可自拔的哲学困境.不可能通过修改哲学或者逻辑学的方法摆脱这一困境——量子理论的一些基本假设必须修改.并且确实存在更加简洁的假设,既能像那些假设一样导出量子力学,又能避免其哲学困境.

量子理论是什么和量子理论的哲学困境

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>